Những chiếc điều hòa trạng thái rắn mới hứa hẹn một tương lai mát mẻ. Các nhà khoa học chưa chắc chắn lắm.

Sau ba năm liên tiếp phá kỷ lục về nhiệt độ, năm nay dự kiến sẽ tiếp tục là một mùa hè oi bức. Và điều hòa nhiệt độ? Chắc chắn sẽ không đi đâu xa. Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA) dự báo rằng số lượng máy điều hòa trên toàn cầu sẽ tăng gấp ba lần vào năm 2050.

Điều này tốt cho sức khỏe—một nghiên cứu trên tạp chí Lancet ước tính rằng điều hòa đã ngăn chặn gần 200.000 ca tử vong sớm chỉ riêng vào năm 2019—nhưng lại tồi tệ cho hành tinh. Việc làm lạnh nhân tạo hiện đã chiếm 7% tổng lượng điện tiêu thụ toàn cầu và 3% lượng khí thải nhà kính. Hơn nữa, nếu được xử lý không đúng cách, các thiết bị này có thể rò rỉ chất làm lạnh có tiềm năng gây hiệu ứng nhà kính cao hơn cả carbon dioxide.

Cảm nhận được sức nóng của vấn đề, nhiều nhà khoa học và startup đang hy vọng sẽ thúc đẩy công nghệ làm lạnh trạng thái rắn (solid-state cooling), hiện đang được sử dụng ở quy mô nhỏ cho các thiết bị như tủ lạnh mini, pin xe điện và một số máy tính chơi game cao cấp.

Mô hình minh họa hệ thống làm lạnh trạng thái rắn

Máy điều hòa truyền thống truyền nhiệt bằng cách sử dụng máy nén và quạt để lưu thông chất làm lạnh và chuyển nó từ lỏng sang khí. Ngược lại, hệ thống trạng thái rắn di chuyển nhiệt thông qua các vật liệu dẫn như gadolinium và telurua bismuth—về mặt lý thuyết có thể làm lạnh không gian và bề mặt với ít tác dụng phụ hơn.

Tuy nhiên, vấn đề nằm ở việc liệu chúng có thể sánh ngang với hiệu quả của máy điều hòa thông thường hay không. "Một trong những câu hỏi còn bỏ ngỏ là tại sao bộ làm lạnh trạng thái rắn lại không hiệu quả bằng các chu trình nhiệt động lực học điển hình?", Pramod Reddy, giáo sư kỹ thuật cơ khí tại Đại học Michigan chuyên nghiên cứu truyền nhiệt, nhận định.

Các chương trình nghiên cứu và thí điểm đang được triển khai để kiểm tra nhiều phương pháp tiếp cận khác nhau. Mimic Systems có trụ sở tại Brooklyn sử dụng công nghệ làm lạnh nhiệt điện, truyền dòng điện qua vật liệu bán dẫn để chuyển nhiệt từ bên này sang bên kia. Hệ thống kiểm soát khí hậu quy mô phòng của họ đang được thí điểm tại một căn hộ ở Vancouver.

Công ty Magnotherm của Đức chuẩn bị thử nghiệm hệ thống dựa trên thiết lập từ nhiệt (magnetocaloric), truyền nhiệt bằng cách từ hóa và khử từ vật liệu, tại một chuỗi siêu thị. Một nhóm tại Hồng Kông đã công bố thiết bị đàn nhiệt (elastocaloric) của mình, với vật liệu nóng lên và lạnh xuống khi nở ra và co lại, có thể giảm xuống dưới 0 °C. Và Barocal của Anh đang đặt cược vào các hệ thống áp nhiệt (barocaloric), thay đổi nhiệt độ để phản ứng với sự thay đổi áp suất.

Tuy nhiên, các chuyên gia, đặc biệt là trong lĩnh vực nhiệt điện, vẫn hoài nghi về khả năng cạnh tranh của bất kỳ phương án trạng thái rắn nào. Đối với hầu hết các hệ thống HVAC hiện đại, hệ số hiệu suất (COP) là 3, Jeff Snyder, giáo sư tại Đại học Northwestern chuyên nghiên cứu độ dẫn điện và nhiệt, giải thích. Về cơ bản, điều này có nghĩa là hệ thống di chuyển ba đơn vị nhiệt cho mỗi đơn vị năng lượng đầu vào.

Nhiệt điện cụ thể có xu hướng có hiệu suất thấp hơn nhiều ở mức thay đổi nhiệt độ cao, Snyder nói, điều này có nghĩa là chúng phù hợp nhất cho các ứng dụng ngách như làm lạnh ghế sau ô tô.

Hệ thống HVAC nhiệt điện quy mô phòng của Mimic đang được kiểm tra

Tuy nhiên, hiệu quả không phải là tất cả, Lindsay Rasmussen, quản lý tại Viện Rocky Mountain và bộ tăng tốc công nghệ khí hậu Third Derivative—cơ sở hỗ trợ cả Magnotherm và Mimic— lập luận. Tại Mỹ, hầu hết các máy điều hòa hiện đang sử dụng chất làm lạnh gọi là R410A, có tiềm năng gây hiệu ứng nhà kính cao hơn gấp 2.000 lần so với carbon dioxide. Hơn nữa, các bộ phận chuyển động của chúng có thể làm giảm độ bền, đặc biệt là khi so sánh với mô hình trạng thái rắn ít phức tạp về mặt cơ học hơn.

Dù vậy, sự thiếu hụt các thiết bị thực tế khiến việc trả lời câu hỏi về hiệu quả trở nên khó khăn. Để hiểu rõ các giải pháp thay thế hoạt động tốt đến đâu, Rasmussen cho rằng các nhà nghiên cứu cần so sánh mức tiêu thụ năng lượng dài hạn của chúng với các mô hình truyền thống thay vì chỉ nhìn vào COP. Ví dụ, Mimic khẳng định mô hình quy mô phòng của họ sẽ tương đương với mức tiêu thụ điện của một chiếc điều hòa điển hình trong vòng một năm.

Các hệ thống đàn nhiệt và áp nhiệt cũng có triển vọng, Rasmussen thêm vào, nhưng các nguyên mẫu quy mô phòng có lẽ còn phải mất hai đến ba năm nữa mới ra đời.

Cuối cùng, khả năng làm lạnh trạng thái rắn thay thế hoàn toàn máy điều hòa dùng máy nén là rất mong manh. Nhưng khi hành tinh nóng lên và những nơi như Ấn Độ lắp đặt hàng chục triệu chiếc điều hòa mới trong thập kỷ tới, việc thay thế ngay cả một số nhỏ cũng có thể tạo ra sự khác biệt. "Nếu [làm lạnh trạng thái rắn] có thể chiếm được 5% thị phần", Rasmussen nói, "đó là một tác động tiềm năng thực sự lớn".